Towards the incorporation of surface acoustic waves for improving the detection of nanoplasmonic biosensors

Abstract

Kreft er en av de ledende dødsårsakene i verden. Med Verdens helseorganisasjon sin forventede økning i antall nye krefttilfeller, vil tidlig kreftpåvisning og -diagnose være nøkkelfaktorer for å redusere dødeligheten og øke overlevelsesraten. Derfor er det utviklet mange pålitelige måleteknikker og metoder for påvisning av biomarkører. En lovende tilnærming er lokale overflateplasmonresonansbaserte biosensorer som gir høy sensitivitet og spesifisitet fra de optiske egenskapene til de anvendte metalliske nanostrukturene. Ved å inkorporere mikrofluidikk og akustofluidikk kan deteksjons- og sensitivitetsytelsen til biosensoren forbedres. Dette oppnås ved å øke kontakten mellom sensoren og nanopartiklene av interesse ved bruk av akustiske overflatebølger som forårsaker mikrofluidisk miksing.

Tre aktive overflate-akustisk-bølgedrevne mikromiksere med frekvenser på 40, 80 og 120 MHz er eksperimentelt testet ved testanlegget for akustofluidikk på NTNU. Blandingseffektiviteten gjennom intern strømning har blitt undersøkt for forskjellige strømningsrater og energitilførsler. De eksperimentelle resultatene ga en reduksjon i den induserte blandingshastigheten for høyere strømningsrater og en reduksjon i blandingseffektiviteten for lavere energitilførsler. Det 40 MHz interdigitale transduserdesignet (IDT designet) ble ikke funnet til å være mer effektiv enn det 80 MHz IDT designet, noe som avviker fra funnene i litteraturen. Det ble imidlertid observert at det 120 MHz IDT designet viste en reduksjon i blandingseffektiviteten sammenlignet med de 40 MHz og 80 MHz IDT designene. En dobbel IDT viste en forbedret blandingsytelse sammenlignet med en enslig IDT for bestemte energitilførsler. Det ble derimot observert at blandingseffektiviteten for en enslig IDT og en dobbel IDT ikke ga betydelige forskjeller når den total energitilførselen til systemet ble betraktet. Den høyeste oppnådde blandingseffektiviteten var på 97.93% for en dobbel IDT for det 80 MHz IDT designet med en strømningsrate på 500 μL/h og energitilførsel på 1500 mW.

De eksperimentelle resultatene for de nanoplasmoniske sensorene dokumenterte at sekskantede nanohullsarrangement generelt oppnådde høyere sensitivitet enn firkantede nanohullsarrangement. Et tykkere gullag på sensoren resulterte i høyere sensitivitetsverdier og skarpere spektrumkurver. En betydelig effekt på sensitiviteten til sensoren ble observert for forskjellige ordre av polynomtilpasningskurvene. Den maksimale sensorsensitiviteten på 285.8275 nm/RIU ble oppnådd for en nanoplasmonisk sensor med et sekskantet nanohullsarrangement, nanohulldiametere på 400 nm, en 250 nm gulltykkelse og en periodisitet på 1000 nm.

Cancer is one of the leading causes of death worldwide. With the World Health Organization predicting an increase in the number of new cancer cases, early cancer detection and diagnosis will be key factors to decrease mortality and increase the survival rate. Therefore, numerous reliable measurement techniques and methods for biomarker detection have been developed. A promising approach is localized surface plasmon resonance-based biosensors that yield high sensitivity and specificity from the optical properties of the employed metallic nanostructures. By incorporating microfluidics and acoustofluidics, the detection and sensitivity performance of the biosensor can be enhanced. This is accomplished by increasing the contact between the sensor and the nanoparticles of interest through the utilization of surface acoustic waves inducing microfluidic mixing.

Three active surface-acoustic-wave-driven micromixers with frequencies of 40, 80, and 120 MHz have been experimentally tested at the NTNU acoustofluidics test facility. The mixing efficiency through internal streaming has been investigated for different flow rates and power applications. The experimental revealed a reduction in the induced mixing speed for higher flow rates and a decrease in the mixing efficiency for lower power inputs. The 40 MHz interdigital transducer (IDT) design was not found to be more efficient than the 80 MHz IDT design, which differs from the findings in the literature. However, it was observed that the 120 MHz IDT design displayed a reduction in the mixing efficiency compared to the 40 MHz and 80 MHz IDT designs. The dual IDT showed an enhanced mixing performance compared to the single IDT for certain power inputs. However, considering the total energy input into the system, the mixing efficiency for the single and dual IDT did not display any considerable mixing performance differences. The highest mixing efficiency obtained was 97.93% for the dual IDT of the 80 MHz IDT design at a flow rate of 500 μL/h and power input of 1500 mW.

The experimental results for the nanoplasmonic sensors documented that hexagonal nanohole arrays generally obtained higher sensitivity than square nanohole alignments. A thicker gold layer on the sensor resulted in higher sensitivity values and sharper spectrum curves. A significant effect on the sensor sensitivity was observed for various polynomial curve fitting orders. The maximum sensitivity of 285.8275 nm/RIU was achieved for the nanoplasmonic sensor with a hexagonal nanohole array, nanohole diameters of 400 nm, a 250 nm gold layer thickness, and a periodicity of 1000 nm.